Fe/Si 比對稀土處理工業(yè)純鋁組織性能的影響①

靳 東， 陽慎蘭， 趙 輝， 楊長龍， 陳保安， 丁 一， 祝志祥， 韓 鈺

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙410083； 2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司沈陽供電公司,遼寧 沈陽110042； 3.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,北京102209)

工業(yè)純鋁具有導(dǎo)電率較高、比強(qiáng)度高、耐蝕性能良好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于制備鋼芯鋁絞線的導(dǎo)體材料［1-2］。 Fe、Si 元素作為工業(yè)純鋁中固有的雜質(zhì)元素,會降低導(dǎo)電性能,并影響其力學(xué)性能［3］。 研究表明,合適的Fe/Si 比能夠使工業(yè)純鋁獲得力學(xué)性能和導(dǎo)電性能的良好匹配［4-5］。 目前相關(guān)研究主要集中在高Fe/Si 比對工業(yè)純鋁性能的影響上［6-8］,本文著重探究低Fe/Si 比對稀土處理工業(yè)純鋁組織和性能的影響,為硬鋁導(dǎo)線的工業(yè)化生產(chǎn)提供借鑒。

1 實(shí)驗材料及方法

以純度大于99.7%的工業(yè)純鋁(下文若無特殊說明均表示質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Al-20%Si 中間合金以及Al-10%Mm(Mm 為La/Ce 混合稀土,w(La) ∶w(Ce)= 35% ∶65%)為原料,通過改變Si 添加量,設(shè)計了10 種不同F(xiàn)e/Si 比的合金,其中La/Ce 混合稀土(Mm)的添加量均為0.1%。 采用坩堝電阻爐進(jìn)行合金熔煉,將工業(yè)純鋁在720 ℃下熔化,加入Al-20%Si 和Al-10%Mm 中間合金,經(jīng)攪拌、除氣、靜置后,700 ℃下進(jìn)行水冷澆鑄,獲得合金鑄錠。 采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)測試合金中的Fe、Si 含量。 表1 為合金的實(shí)際成分以及計算獲得的Fe/Si 比。

表1 合金的實(shí)際成分及Fe/Si 比

試樣經(jīng)機(jī)械拋光后,進(jìn)行陽極覆膜,覆膜液的成分為97 mL 去離子水+1.1 mL H3BO3+3 mL HF,采用Leica DMI300 M 金相顯微鏡(OM)對合金進(jìn)行組織觀察；采用FEI Quanta-200 型掃描電子顯微鏡(SEM)的背散射模式對合金的第二相形貌及分布進(jìn)行觀察；采用JEOL JXA-8230 型電子探針(EPMA)對合金進(jìn)行成分分析。

采用MTS810 型萬能試驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗,拉伸速率為2 mm/min,圖1 為拉伸試樣示意圖。 每種合金取3 個平行試樣,以平均值作為實(shí)驗值。 采用Sigma 2008A1 型渦流電導(dǎo)儀測量電導(dǎo)率,測試頻率為60 kHz,測試溫度20 ℃,每個試樣測量3 組數(shù)據(jù),取平均值作為實(shí)驗值。

圖1 拉伸試樣示意圖（單位：mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 不同F(xiàn)e/Si 比合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電率

圖2 為不同F(xiàn)e/Si 比合金的屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率。由圖2 可以看出,隨著Fe/Si 比增大,合金屈服強(qiáng)度總體上不斷降低,導(dǎo)電率不斷增加。 當(dāng)Fe/Si 比小于1.00時,合金屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率變化幅度較大；當(dāng)Fe/Si 比大于1.00 時,合金屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率變化幅度較小。 由圖2 還可以看出,工業(yè)純鋁(Fe/Si 比為2.6)導(dǎo)電率最高,但屈服強(qiáng)度最低；添加Si 元素,使Fe/Si 比為0.20,合金導(dǎo)電率最低為55.3%IACS,但是屈服強(qiáng)度最高,達(dá)到90.6 MPa。 根據(jù)圖2 中合金強(qiáng)度和導(dǎo)電率的變化趨勢,可以通過改變Si 添加量來調(diào)節(jié)鋁導(dǎo)體材料的強(qiáng)度-導(dǎo)電率關(guān)系,設(shè)計滿足服役需求的鋁導(dǎo)體合金成分。

圖2 不同F(xiàn)e/Si 比合金的屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電率

2.2 Fe/Si 比對合金顯微組織的影響

圖3為不同F(xiàn)e/Si 比合金鑄態(tài)組織的金相照片。由圖3 可以看出,隨著Fe/Si 比增加,晶粒尺寸逐漸增加。 Fe/Si 比為0.20 或0.59 時,合金晶粒尺寸較小,平均尺寸約為100 μm,合金強(qiáng)度較高但導(dǎo)電率較低；Fe/Si比為1.00 時,合金晶粒尺寸有所增加,約為300 μm,合金強(qiáng)度有所下降,導(dǎo)電率上升；Fe/Si 比為1.44 或2.60時,合金晶粒尺寸明顯增大,平均晶粒尺寸大于800 μm,并且在晶粒內(nèi)可以看到明顯的枝晶組織,此時,合金的強(qiáng)度很低,導(dǎo)電率較高。 結(jié)合圖2 和圖3 可知,當(dāng)Fe/Si比小于1.00 時,合金晶粒尺寸較小,根據(jù)Hall-Petch 關(guān)系,晶粒尺寸越小,細(xì)晶強(qiáng)化作用越明顯,合金強(qiáng)度越大；當(dāng)Fe/Si 比大于1.00 時,晶粒尺寸較大,合金強(qiáng)度較低。

圖3 不同F(xiàn)e/Si 比合金鑄態(tài)組織的金相照片

圖4 不同F(xiàn)e/Si 比合金第二相的SEM 照片

圖4 為不同F(xiàn)e/Si 比合金第二相的SEM 照片。 由圖4 可以看出,Fe/Si 比會對晶界和晶內(nèi)的第二相形貌產(chǎn)生影響。 Fe/Si 比小于1.00 時,合金的晶內(nèi)出現(xiàn)少量球狀相,晶界處產(chǎn)生了連續(xù)分布的長條狀或針狀形貌初生相,這種相通常會割裂基體,成為裂紋萌生源,降低合金的力學(xué)性能和加工性能［5］。 Fe/Si 比為1.00時,合金晶內(nèi)未觀察到第二相,而晶界處的第二相仍為長條狀或針狀,但晶界第二相呈現(xiàn)不連續(xù)分布。 Fe/Si比為1.44 時,晶界上的條狀或針狀的第二相明顯減少,并產(chǎn)生了球狀第二相。 Fe/Si 比為2.60 時,晶界上產(chǎn)生了較多的點(diǎn)狀第二相。 通常當(dāng)鋁導(dǎo)體材料中Fe/Si 比大于1.00 時,會形成α-AlFeSi 相,具有魚骨狀或不規(guī)則片狀［5,9］,但在圖4(d)～(e)中并未觀察到這種形貌的第二相,表明添加的混合稀土能夠改善第二相的形貌。

硬鋁導(dǎo)線的性能與合金中雜質(zhì)元素的含量及存在形式密切相關(guān),通過改變合金鑄坯的Si 含量來改變Fe/Si 比,并加入適量的混合稀土,會使合金中雜質(zhì)相種類和形貌發(fā)生改變。 一般來說,固溶在基體中的雜質(zhì)元素對晶格勢場的周期性破壞較大,自由電子的運(yùn)動受阻導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性能下降。 通過合金化的方法可以使固溶在基體中的雜質(zhì)元素析出與其他元素形成穩(wěn)定的第二相,改善合金的導(dǎo)電性能［10］。

采用電子探針分別對Fe/Si 比為0.59 和1.44 的合金進(jìn)行成分分析,結(jié)果如圖5 所示。 當(dāng)Fe/Si 比為0.59 時,Fe 元素主要在晶界和晶內(nèi)的第二相上偏聚,表明Fe 元素主要以化合態(tài)形式存在,Si 元素在初生相上也有部分富集,說明Si 和Fe 化合形成了AlFeSi 初生相,La、Ce 元素主要分布于部分晶內(nèi)第二相上。 當(dāng)Fe/Si 比為1.44 時,合金晶粒內(nèi)和晶界上出現(xiàn)了球狀初生相,Fe 元素在晶界和晶內(nèi)的初生相均有富集,Si元素均勻分布,La、Ce 元素在晶內(nèi)和晶界初生相上均有分布。

為進(jìn)一步分析Fe/Si 比為0.59 和1.44 合金中第二相的成分,分別對圖5(a)、(b)所示的晶內(nèi)晶界第二相進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果如表2 所示。 由表2 可以看出,Fe/Si 比為0.59 時,晶界處的第二相包含Al、Si、Fe 和少量的Ce 元素,并且Fe 含量高于Si 含量,表明晶界初生相為α-AlFeSi 相。 晶內(nèi)第二相包含Al、Si、Fe、La、Ce 元素,其中Si 含量高于Fe 含量,表明晶內(nèi)初生相為β-AlFeSi 相,并且La、Ce 元素參與了晶內(nèi)初生相的形核長大過程。 當(dāng)Fe/Si 比為1.44 時,晶界和晶內(nèi)第二相的Fe 含量均高于Si 含量,表明晶界和晶內(nèi)初生相均為α-AlFeSi 相,并且晶內(nèi)的球狀初生相上存在La、Ce 元素的富集,說明La、Ce 元素能夠?qū)?nèi)第二相產(chǎn)生變質(zhì)作用,改變第二相的形貌［10-11］。 進(jìn)一步觀察表2 可知,對于Fe/Si 比為0.59 的實(shí)驗合金,晶內(nèi)第二相所含混合稀土的含量高于Fe/Si 比1.44 的實(shí)驗合金,說明當(dāng)Fe/Si 比小于1.44 時,混合稀土Mm 更容易與實(shí)驗合金中的雜質(zhì)元素形成復(fù)雜的第二相,從而降低基體中固溶的雜質(zhì)元素含量,提高實(shí)驗合金的導(dǎo)電率。

圖5 Fe/Si 比為0.59 和1.44 時合金SEM 照片及EPMA 面掃描照片

表2 Fe/Si 比為0.59 和1.44 時合金第二相成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

3 結(jié) 論

1) 隨著Fe/Si 比增大,合金屈服強(qiáng)度總體呈下降趨勢,導(dǎo)電率逐漸上升,說明Si 元素的增加能夠提高合金強(qiáng)度,但會降低導(dǎo)電性能。

2) 當(dāng)Fe/Si 比不大于1.00 時,晶粒尺寸較小,平均尺寸低于300 μm,合金的強(qiáng)度較高,導(dǎo)電率較低；當(dāng)Fe/Si 比大于1.00 時,晶粒較為粗大,晶粒尺寸大于800 μm,合金的強(qiáng)度較低,導(dǎo)電率較高。

3) SEM 觀察和能譜分析結(jié)果表明,Fe 元素主要在晶界和晶內(nèi)第二相中聚集分布,Si 元素呈點(diǎn)狀均勻分布,La、Ce 會在第二相上偏聚,并對第二相產(chǎn)生變質(zhì)作用。